一种多功能原位力学测试装置及其设备制造方法及图纸

本发明专利技术涉及材料力学性能测试设备技术领域，尤其涉及一种多功能原位力学测试装置及其设备。多功能原位力学测试装置包括底座、至少两个连接杆、测试探头、控制系统以及压力测试系统；底座用于与材料分析测试设备密封连接；连接杆之间相互连接，得到连接体，连接体的一端与底座连接，另一端与测试探头连接；控制系统控制不同连接杆的运动；压力测试系统用于监测和控制测试探头的施加应力。本发明专利技术提供的多功能原位力学测试装置，通过SEM、FIB上现有的接口直接插入，可以利用扫描电镜的高分辨率成像，实现纳米材料和结构的原位测试和观测的实验分析目的，观察材料在测试和失效过程中的动态应变和微观结构的变化，实现纳米级精确定位和观测分析。和观测分析。和观测分析。

【技术实现步骤摘要】
一种多功能原位力学测试装置及其设备


[0001]本专利技术涉及材料力学性能测试设备
，尤其涉及一种多功能 原位力学测试装置及其设备。

技术介绍

[0002]纳米或者微米尺寸的薄膜材料或者其它的两维材料(纤维，管状等) 的微区力学性能的测试在现代制造业和科研中是一种重要的表征测试手 段。在过去30年来，很多相应的测试技术和设备已经商业化。
[0003]目前所报道的微区力学性能的测试方法很多,主要可分为力学和非 力学方法两大类。前者包括直接剥离法、激光剥离法、压痕法、划痕法、 拉伸法、弯曲展开法、磨耗法及粘带法等；后者包括热学法、核化法、 电容法及X射线衍射法等。与非力学方法相比，力学方法的实用性较强， 最常用力学方法包括压痕法、划痕法和拉伸法，其相应的理论和测试方 法的结合已经在业界得到广泛的应用。
[0004]就目前市场上商业化的测试设备来看，大都是集成在光学显微镜或 者原子力显微镜的平台上。其缺点在于：
[0005]1、光学显微镜的分辨率低，对于小尺寸如纳米或者亚微米级的薄膜 和材料没办法进行定位测试。
[0006]2、不适合器件级膜层的应力分析。器件里的工艺层一般结构复杂 (patterned)，尺寸小。有些失效分析需要测试那些底层的微小区域某一 膜层或者特定膜层间的机械性能。例如CMOS器件中M1和上面的介电层 的结合力的分析。这种情况下，目前市场上还没有此类的测试技术和设 备。
[0007]3、对于暴露在空气中测试，有些膜层在空气中容易氧化或者受湿度 影响较大，因此在测试的过程中可能受环境的影响造成膜层的结构或者 性能的变化。
[0008]目前市场上也有一些商业化的基于电子显微镜的应力测试系统。但 是基本上都是分立式的，需要单独安装到SEM或者FIB的样品台上进行测 试，如瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA)开发的原位压痕测试系 统和Hysitron公司PI85 SEM PicoIndenter原位压痕仪均为托盘式设计， 即安装在SEM或者FIB样品台上测试，这样对SEM/FIB的正常使用势必会 造成影响。

技术实现思路

[0009]本专利技术旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
[0010]为此，本专利技术的目的在于提供一种多功能原位力学测试装置，该装 置可以集成到目前市场上各种类型的商业化SEM(扫描电子显微镜)、 FIB(聚焦离子束)等设备里，能够实现纳米级原位力学测试。本专利技术 提供的多功能原位力学测试装置，不仅可以用于块材、线材和多层薄膜 的机械性能测试，而且可以实现纳米器件中不同工艺层的力学测试，如 界面结合力、硬度测试、弹性模量和原位切割及应力测试。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供了一种多功能原位力学测试装置，包 括底座、至少两个连接杆、测试探头、控制系统以及压力测试系统；
[0012]所述底座用于与材料分析测试设备密封连接；
[0013]所述连接杆之间相互连接，得到连接体，所述连接体的一端与所述 底座连接，另一端与所述测试探头连接；
[0014]所述控制系统控制不同所述连接杆的运动；
[0015]所述压力测试系统用于监测和控制所述测试探头的施加应力。
[0016]在一些可能的实施方式中，所述控制系统包括位移传感器、驱动电 机、控制软件；
[0017]每个所述连接杆设置一个所述位移传感器；
[0018]所述控制系统通过所述位移传感器来控制不同连接杆的运动。
[0019]在一些可能的实施方式中，所述多功能原位力学测试装置设置至少 两个驱动电机，所述驱动电机分别为所述多功能原位力学测试装置不同 连接杆运动提供动力源。
[0020]在一些可能的实施方式中，所述连接杆至少一个为可伸缩杆，所述 连接杆优选均为可伸缩杆；
[0021]所述控制软件通过位移传感器和驱动电机控制所述伸缩杆的伸缩运 动。
[0022]在一些可能的实施方式中，所述压力测试系统包括压力传感器、应 力测量软件。
[0023]在一些可能的实施方式中，所述底座与材料分析测试设备的外部接 口密封连接；
[0024]所述底座设置有密封件和固定所述底座与所述材料分析测试设备的 固定件。
[0025]在一些可能的实施方式中，所述底座用于与材料分析测试设备密封 连接的连接口设置在所述底座与所述连接体之间；
[0026]所述材料分析测试设备为FIB或SEM。
[0027]在一些可能的实施方式中，所述测试探头包括连接部和测试部，所 述测试部通过所述连接部与所述连接杆连接；
[0028]所述测试部选自以下中的任一种形状：
[0029]弧形、平面、锥形、三角形、尖角、刃形等。
[0030]在一些可能的实施方式中，所述连接体包括依次连接的第一连接杆、 第二连接杆和第三连接杆；
[0031]所述第一连接杆与所述底座的连接头连接。
[0032]在一些可能的实施方式中，所述压力传感器分别设置在所述第二连 接杆与所述第三连接杆之间、所述第三连接杆与所述测试探头之间。
[0033]在一些可能的实施方式中，所述第一连接杆和底座之间设置有旋转 组件，和/或
[0034]所述第二连接杆与所述第三连接杆之间设置有旋转组件；
[0035]所述旋转组件由旋转控制系统控制，所述旋转组件通过所述旋转控 制系统控制在360
°
范围内旋转。
[0036]在一些可能的实施方式中，所述第一连接杆设置为沿X/Y/Z方向运 动；
[0037]所述第二连接杆设置为沿Z方向运动；
[0038]所述第三连接杆设置为沿X方向运动。
[0039]本专利技术还提供了一种多功能原位力学测试设备，包括上述的多功能 原位力学测试装置和材料分析测试设备，所述多功能原位力学测试装置 与所述材料分析测试设备的
外部接口真空密封连接；
[0040]所述材料分析测试设备为FIB或SEM。
[0041]本专利技术提供的多功能原位力学测试设备可用于各种纳米器件的膜层 力学性能方面的测试，力学性能检测包括纳米刮痕、纳米压痕、纳米切 割、纳米剥离等，不同的检测可采用不同的测试探头完成。
[0042]本专利技术与现有技术相比所具有的有益效果：
[0043](1)本专利技术提供的多功能原位力学测试装置和现有的扫描电镜 (SEM)和聚焦离子束(FIB)设备相匹配，其方式可以是通过SEM、FIB 上现有的接口直接插入，然后进行真空密封实现系统集成；在不使用的 时候可以抽出，不会对SEM和FIB正常使用造成影响。
[0044](2)本专利技术提供的多功能原位力学测试装置，所有测试都是在高真 空的环境下进行的，可以避免膜层在测试过程中因环境的影响造成对测 试结果的偏差。
[0045](3)本专利技术提供的多功能原位力学测试装置，可以利用扫描电镜的 高分辨率成像，实现纳米材料和结构的原位测试和观测的实验分析目的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能原位力学测试装置，其特征在于，包括底座、至少两个连接杆、测试探头、控制系统以及压力测试系统；所述底座用于与材料分析测试设备密封连接；所述连接杆之间相互连接，得到连接体，所述连接体的一端与所述底座连接，另一端与所述测试探头连接；所述控制系统控制不同所述连接杆的运动；所述压力测试系统用于监测和控制所述测试探头的施加应力。2.根据权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述控制系统包括位移传感器、驱动电机、控制软件；每个所述连接杆设置一个所述位移传感器；所述控制系统通过所述位移传感器来控制不同连接杆的运动；进一步地，所述多功能原位力学测试装置设置至少两个驱动电机，所述驱动电机分别为所述多功能原位力学测试装置不同连接杆运动提供动力源。3.根据权利要求2所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述连接杆至少一个为可伸缩杆，所述连接杆优选均为可伸缩杆；所述控制软件通过位移传感器和驱动电机控制所述伸缩杆的伸缩运动。4.根据权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述压力测试系统包括压力传感器、应力测量软件。5.根据权利要求1所述的多功能原位力学测试装置，其特征在于，所述底座与所述材料分析测试设备的外部接口密封连接；所述底座设置有密封件和固定所述底座与所述材料分析测试设备的固定件；进一步地，所述底座用于与所述材料分析测试设备密封连接的连接口设置在所述底座与所述连接体之间；所述材料分析测试设备为FIB(focusionbeam,聚焦离子束)或SEM(Sca...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓旻，刘兵海，傅超，张兮，华佑南，乔明胜，
申请(专利权)人：胜科纳米苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：